Digital fabrication //Tognarelli Giulia // Postelnik Tal

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Introduzione

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L’Architettura rappresenta idee, possibi-lità e creatività e oggi, grazie alla me-dia digitale e alla tecnologia innovativa, raggiunge risultati infiniti che si possono ottenere dal punto di vista di forma del ma-teriale, rappresentazione spaziale e possi-bilità di combinazione. La produzione digi-tale è il legame tra il modello virtuale e la realtà fisica costruita del progetto. Quando si parla di Digital Fabrication esistono va-rie tecniche per la produzione del progetto e queste sono:

Sectioning, Tessellating, Folding, Contouring. Nel nostro lavoro cercheremo di introdur-re queste tecniche di base attraverso vari esempi.

BackgroundAlla base di questa tecnica c’è il compu-ter che si usa durante i vari steps del pro-cesso architettonico, dal concept fino alla costruzione. Digital Fabrication significa usare i dati digitali per controllare il pro-cesso di fabbricazione: i programmi di CAD (Computer Aided Design) formano la base per l’output ottenuto da macchine CAM ( Computer Aided Machine)

in grado di costruire l’oggetto costruito o ta-gliarlo in varie forme. La tecnologia dell’uso di CAD/ CAM è iniziata negli studi dell’in-dustria aerospaziale più di mezzo secolo fa. La possibilità di produrre parti ottenute in questo modo variano in molti campi, dai motori fino alla realizzazione di componenti strut-turali.Il procedimento inizia da un modello di pro-totipo che deriva dai dati inseriti nel com-puter; quando il modello CAD è definito, i dati vengono trasferiti alla macchina CAM che produce le parti in scala reale e in vari ma-teriali come alluminio, acciaio, legno e pla-stica.I programmi CAD vengono usati da più di trent’anni: inizialmente i programmi sostitu-ivano i disegni a mano poiché si poteva dise-gnare solo in due dimensioni; ma nonostante il metodo fosse cambiato, i risultati erano per lo più simili e gli edifici costruiti avevano simile aspetto.Solo quando sono arrivati i computer che mo-dellano in tre dimensioni, e in seguito il Di-gital Fabrication, le possibilità del disegno architettonico di espandere i sui confini sono aumentate.Frank Gehry è stato il primo studio architet-tonico che nel 1989 ha iniziato ad usare i CAD/CAM procedimenti per i sistemi costruttivi

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ne richiede la traduzione dei dati grafici, di disegni in due dimensioni e di modelli tridimensionali, in dati digitali che i CNC (Computer Numeric Controlled Machine) possano leggere.Questo obbliga gli architetti ad imparare un nuovo linguaggio sia di software che di visio-ne architettonica in generale.

del Disney Concert Hall.Il programma che hanno usato nello studio erano gli stessi usati nell’industria aero-spaziale “CATIA” (Computer Aided Three Do-mensional Interactive Application).Inizialmente Gehry aveva previsto un edifi-cio ricoperto in vetro e pietra; durante il procedimento architettonico sono stati rea-lizzate delle macchine controllate dal com-puter in grado di scolpire una superficie di pietra per ottenere la forma desiderata.Il risultato, dal punto di vista economico e di tempi necessari per la produzione, si era dimostrato molto valido.Nel 2002 Gehry Partners ha creato “ Ghery Tecnologies” per trovare nuovi sviluppi per la prima versione di “CATIA” col fine di ri-solvere le complicazioni nei progetti.

Il procedimento di Digital Production in-tegra vari aspetti del processo costruttivo tra i quali problemi meccanici, strutturali, estetici e dei costi che si possono control-lare attraverso l’uso di questi programmi.Gli studi di architettura che fanno uso di questa tecnica sono numerosi oggi e tra i più emergenti si trova Foster & Partners , Zaha Hadid, Coop Himmelblau.

Il passaggio tra il disegno e la costruziola chiesa di Ronchamp, Le Corbusier

5Disney Concer t Hall , Frank O. Gehr y

Sectioning

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I piani e le sezioni sono gli strumenti più potenti che un architetto possiede.Questo mezzo di comunicazione è stato tra-dotto in un metodo di Produzione Digitale con i modelli digitali.

Quando si tratta di geometrie molto comples-se l’uso di Sectioning, che avviene pren-dendo numerose sezioni trasversali, porta a risparmiare tempo e soldi.Al posto di costruire la superficie stessa il Sectioning usa una serie di profili che con bordi seguono le linee di una forma ge-ometrica.Questo metodo si può usare sia per superfici ma anche per componenti strutturali.

La tecnica si usava inizialmente per costru-ire gli aeroporti e le navi, per ottenere le superfici a doppie curve; infatti il proce-dimento prevede inizialmente la costruzione dei costoloni strutturali e dopo la loro co-pertura con materiali di superficie.Il tetto della cattedrale di Ronchamp di Le Corbusier ne è un esempio e ha un’analogia con le ali dell’aereo. La costruzione della copertura è stata fatta con una serie di co-stole strutturali in cemento assemblate con una serie di travi secondarie.

I vantaggi di usare questo metodo sono evi-denti: la struttura ottenuta ha un peso mol-to leggero e da un risultato molto preciso e semplice da montare.

I mezzi che si usano nella tecnologia di Sectioning sono macchine che tagliano in tre assi come i tagliatori laser, CNC Routers, i tagliatori a getto d’acqua e i plasma cut-ters; tutti lavorano per tagliare materiali bidimensionali. Infatti Sectioning signifi-ca, alla fine, ottenere una forma tridimen-sionale attraverso l’uso di tanti elementi bidimensionali montati successivamente in-sieme.Il risultato finale dipende dalla forma glo-bale e anche dal materiale scelto offrendo perciò un’ampia gamma di soluzioni.

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[ c ] S p a c eA l a n D e m p s e y e A l v i n H u a n g , L o n d r a 2 0 0 8

La struttura è stata progettata e costruita per cele-brare l’anniversario del laboratorio di Design e ricer-ca all’ Architectural Association di Londra.Il padiglione ha le dimensioni di 50x10x10 metri ed è stata costruita seguendo la forma di una conchiglia.La struttura è composta da elementi di cemento rinfor-zato con fibre che aumentano la resistenza strutturale. I pannelli in cemento funzionano in questo caso come elementi di copertura, struttura, pavimentazione e an-che arredamento.Le intersezioni tra i vari pannelli sono ottenute gra-zie ad un assemblaggio con guarnizione di gomma prefab-bricate su misura, a seconda dell’angolazione che varia continuamente lungo la struttura.Tutto il disegno è stato progettato con una prototipa-zione tridimensionale digitale.La fabbricazione dei vari elementi è stata fatta diret-tamente dal modello digitale, usando CNC in grado di tagliare le tavole del cemento di tipo C-fiber di spes-sore di 13 mm e alcuni giunti in alluminio di 15 mm.

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Varie viste della struttura con i par tico-lari degli elementi bidimensionali che costituiscono, assemblati inisema, il pa-diglione tridimensionale

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B U R S T * . 0 0 3S Y S T E M a r c h i t e c t s , 2 0 0 6

Burst è una tipologia di case prefabbricate che funziona come un grande puzzle, formato da tanti pezzi di assemblaggio. Attraverso l’utilizzo di vari elementi pre-fabbricati si può scegliere la composizione finale della casa sia in ambito funzio-nale che estetico. Le varianti per la composizione della casa dipendono dal luogo, dall’orientamento, e soprattutto dai desideri e dalle necessità del cliente.La possibilità di formare un alloggio unico da un kit prefabbricato distingue le Case Burst da tutti gli altri brand che producono questa tipologia di residenze.La maggior parte della costruzione è fatta al computer dove è già stabilita la ge-ometria della casa e di conseguenza i vari elementi da produrre come quelli strut-turali, i muri, i pavimenti e i solai che vengono trattati fino all’ultimo livello di dettaglio. La formazione generale della casa e i vari elementi che la compongono è fatta esclu-sivamente con modelli 3D che successivamente vengono fabricati con una precisione assoluta.I pezzi tagliati a seconda del modello 3D vengono montati nel sito di co-struzione dell’alloggio: una volta arrivati nel luogo desiderato i vari pezzi pos-sono essere montati in poco tempo anche da persone senza esperienza costruttiva.La precisione nel tagliare i pezzi di legno compensato e l’accurata attenzione ai punti di connessione consente un telaio con una tessitura continua lungo tutto l’edificio.

12Modello digitale dei pez zi di assemblaggio Il momento del montaggio

13Il momento del montaggio Il sistema di travi il risulatto finale

14 Immagini dell`alloggio realiz zato

tessellating

Immagini dell`alloggio realiz zato

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Tesselating E’ una collezione di pezzi che si uniscono per formare un piano o una superficie.Usando la Tessellation si possono creare infi-nite soluzioni di forma unendole come un puzzle.I disegni di M.C.Esher sono spes-so citati come un esempio.In architettura il termine si riferisce alle varie tessiture di mosaici bidimensionali usati come coperture di edifici e anche mesh.In antichità nel epoca romana, bizantinia e goticha hanno usato il Tesselating per for-mare gli antichi mosaici oppure le vetrate, nell’architettura islamica hanno uasto il tesselating per formare i muri di schermatura.Le superfici decorative erano usate per fil-trare la luce, definire gli spazi o sim-boleggiare idee attraverso un linguaggio grafico che è moto diverso dall’uso che il Tesselating ha nel architettura moderna.Questi esempi storici erano tutti di tipo ar-tigianale, fatti a mano; era perciò un proce-dimento intensivo e lunghissimo che richie-deva alte qualità tecniche della manodopera.La tecnologia digitale ha portato un nuo-vo interesse nel mondo del Design usando le tecniche della Tessellation e Pattering per-ché offrono una variazione e modellazione attraverso mezzi manifatturieri alternativi.Mentre i mosaici, i muri in mattone e an

che le vetrate possono essere considera-te tessellating, il termine “Digital De-sign” significa approssimare la superfi-cie spesso curvata con polilinee e mash.Superfici curve sono tipicamente più com-plesse e costose da costruire rispetto a su-perfici dritte e la technica del Tessella-tion offre una strada per costruire forme curve lisce usando materiali bidimensionali.La Tessellation può essere forma-ta da materiali tradizionali come mat-tonelle in ceramica o di argilla ma an-che da materiali come alluminio o vetro.I mash sono formati da poligoni e suddivisioni. I poligoni approssimano superfici piene lisce; di solito è formato da triangoli e quadrilateri.Le suddivisioni sono più comples-se e fatte con algoritmi matemati-ci che approssimano la curvatura.

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H u y g h e + L e C o r b u s i e r P u p p e t T h e a t r eM O S , H a r v a r d U n i v e r s i t y, 2 0 0 4

Per celebrare il quarantesimo anniversario del Carpenter Cen-ter for the Visual Arts at Harvard University, l’unico proget-to di Le Corbusier in nord America, questa struttura è stata costruita nel cortile esterno dell’edificio. La struttura or-ganica del progetto è stata costruita da 500 pannelli di poli-carbonato a forma di triangoli allungati connessi fra di loro per formare una struttura rigida. Poichè i pannelli sono sem-plicemente imbullonati tra di loro tutta la costruzione è sem-plice da montare e smontare.I pannelli superiori sono stati montati in senso contrario per esporre la struttura ai visitatori.La sezione dei pannelli è spessa 9 cm e l’altezza massima del padiglione arriva fino a 3 metri al centro della struttura.Per irrigidire i pannelli di plastica, nel loro spessore è stato inserito una schiuma che dopo la presa diventa rigida, e quindi aumenta la rigidezza dello superficie triangolare stes-so e di conseguenza di tutta la struttura.Un fine spessore di muschio copre la parte esteriore della struttura.

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Elementi in policarbonato a forma di triangoli allungati connessi tra loro

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Elementi in policarbonato a forma di triangoli allungati connessi tra loro

Spessore fine di muschio per coprire la par te superiore del padiglione

Modello 3D preparato con Rhino

Vista interna

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H e l i o s H o u s eO f f i c e d A a n d J o h n s t o n M a r k l e e & A s s o c i a t e s , 2 0 0 6 - 7

L’obiettivo di questo progetto era di realizzare un padiglione di educazione per l’eco-sostenibilità.L’acqua, il riscaldamento, l’illuminamento e i sistemi di materiali nell’Helios House sono stati progettati e scelti per massimizzare l’efficienza. La copertura è l’elemento più emblematico del complesso: funziona come un elemento che incorpora varie caratteristiche architettoniche e tecniche.I pannelli triangolari in acciaio inossidabile formano una struttu-ra continua che integra tutte le funzioni necessarie per l’attività educativa del padiglione.Durante il processo di progettazione un obiettivo importate era quel-lo di ridurre al minimo il materiale necessario per la costruzione e di conseguenza anche i costi relativi al progetto.La struttura è costituita da 1653 pannelli separati che formano 52 pezzi traspor-tabili che sono montati già nella fabbrica e solo successivamente mandati al luogo dell’esposizione: perciò quando il progetto arriva al suo destinazione i pezzi da montare sono soltanto 52.

Modello digitale della suddivisione in 52 elementi che compongono la struttura

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Modello digitale della suddivisione in 52 elementi che compongono la struttura

22I pannelli triangolari in acciaio nella soluzione finale

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Folding significa trasporta-re una superficie piana bidimensio-nale in un progetto tridimensionale.E’ vantaggioso usare questa tecnica per gli elementi strutturali: la superficie piana au-menta la sua rigidezza attraverso il piegamento e quindi gli elementi progettati in questo modo hanno la possibilità di essere autoportanti.Quando si tratta di produzione di mas-sa di una forma che si ripete, il Fol-ding è molto adatto come tecnica.Negli ultimi quindici anni gli architetti sono riusciti a creare varie forme e su-perfici continue utilizzando il folding.Folding permette di realizzare progetti e idee che magari rimanevano soltanto in forma con-cettuali, espande il campo tridimensionale di una superficie attraverso la possibilità di deformazione e inflessione dopo la produzione.I materiali da usare sono piegabili per poter formare la forma e la posizione desiderata.Tra tutte le tecniche citate fin’ora questa è il metodo che offre più po-tenzialità per variazioni di forma.In questo processo, diversamente dagli altri metodi di produzione digitale, si tratta di for-mare grazie all’uso di strumenti di CAD/CAM forme tridimensionali in superfici bidimensionali.Un programma come Rhinoceros per

mette proprio questo passaggio dal-la tridimensionalità alle due dimensioni.Dal punto di vista della produzione sono i tagliatori laser che si usano per dare al materiale la caratteristica di esse-re piegabile. Con i laser si può control-lare la profondità del taglio desiderato.Anche i water-jet e i plasma cutters sono utilizzati perché hanno la possi-bilità di forare il materiale per indi-care i punti dove deve essere piegato.I materiali usati devono avere le carat-teristiche di essere piegabili senza di-minuire la loro rigidezza e quindi i più frequenti sono alluminio e i tessuti.

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Folding

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N u b i kA E D S / A m m a r E l o u e i n i , K e n s a s C i t y 2 0 0 5

Nubik era un’istallazione per una mo-stra nella Grand Art Gallery a Kansan City, Missouri nel 2005.Una serie di otto gruppi di elementi era sospe-sa dal solaio con cavi metallici.Gli elementi sono stati generati da una geometria iniziale di base ripetuta in composizioni diverse per ottenere un risultato finale vario e composto.Le varie geometrie sono tagliate da un foglio di policarbonato; i giunti sono fatti con zip-ties per permet-tere la massima flessibilità per il montaggio e lo smontaggio.

27Dopo il taglio con macchine CNC dei vari pez zi , si montano come un puz zle

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I n - O u t C u r t a i nI w a m o t o S c o t t , 2 0 0 5

In-Out Curtain è un prototipo per una schermatura che integra origami con la produzione digitale, focaliz-zando sulla possibilità dell’utente di formare dei cambiamenti a seconda della necessità di luce e illumina-zione.L’obiettivo era di creare una super-ficie trasformabile che può funzio-nare come un divisorio interno o un brie-soleil; i modelli che formano la superficie sono disegnati in un modo che unisce due forme distin-te: In and Out. La formazione delle due posizioni è fattibile grazie ai tensori interni che rendono il mate-riale piegabile e determinano il suo angolo di elasticità.

29Il meccanismo dei vari elementi-origami che compongono la super ficie dinamica

30 Il risultato è una super ficie dinamica per gli interni

Contouring

Il risultato è una super ficie dinamica per gli interni

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mezzo, a tre assi oppure laser a cinque assi. Quando si parla di assi si intende in pra-tica il numero di gradi di movimento in cui la macchina è in grado di tagliare.Le macchine con tre assi per esempio si possono muovere simultaneamente negli assi x, y ,z; in altre parole la lama può muoversi in ogni direzione del piano orizzontale e verticale.L’ unica differenza tra questa macchina e quel-la con più gradi di libertà è che la lama di quella a tre assi non può ruotare e quindi non si possono creare tutte le forme tridimensio-nali che la macchina a cinque assi può creare.L’ andamento del taglio può essere fatto con linee parallele, a spirale, con linee lisce, rigide o a gradini, a seconda del-la scelta del progettista e del materiale.Quando tutte le variabili del progetto sono state specificate bisogna trasformare il file attraverso un generatore tool-path-data che crea un linguaggio che si chia-ma G-code. Il linguaggio contiene una serie di operazioni e comandi per il lavoro che la macchina deve compiare: posizione del-la lama in ciascun punto, velocità, spes-sore del taglio, angolo del taglio, ecc. .

I materiali da costruzione di soli-to arrivano in formato bidimensionale.Alcuni materiali come compensato, MDF e Lastre di pietra presentano una for-ma più complessa ma in essenza fun-zionano come superfici bidimensionali.Contouring è una tecnica che ri-raffigura que-ste superfici e crea in tre dimensioni dei modu-li da cui scavare vari spessori del materiale.Nelle architetture tradizionali gli esempi di scavare nel legno o nella pietra per ottenere componenti strutturali che hanno un aspetto decorativo è una tecnica usata comunemente.Il lavoro artigianale era molto complicato e richiedeva lunghi tempi di produzione; infatti dopo la rivoluzione industriale non ci si poteva più permettere di perdere questi lunghi tempi.Solo oggi, grazie alla produzione digi-tale si può tornare ad usare gli elemen-ti che sono simili per concetto alle colonne di origine greca o alle decora-zioni degli archi nelle chiese gotiche.La fabbricazione digitale permette agli ar-chitetti di tradurre l’idea di origine arti-gianale in elementi architettonici moderni.

Esistono diversi tipi di macchine per re-alizzare progetti in scala architettonica: i più comuni sono macchine CNC a due assi e

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B o n e W a l l U r b a n A & O , 2 0 0 6

Il disegno del Bone Wall inizia con un modulo che forma una cellula di base. Ogni cellula ha otto “control points” (punti di controllo che permettono variazioni solo tra le linee dei due punti); così il dise-gno del muro può essere modificato, mantenendo sempre le condizioni di unanimità tra le varie cellule.Le cellule sono state fabbricate da un “hight density foam” tagliato da un incisore CNC da 5 assi.Da vicino si possono notare i segni di taglio che ha lasciato il CNC; le varie cellule sono poi state unite a mano con un adesivo.

la cellula di base ripetuta nel modello 3D per creare la super ficie

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Metà cellula di baseIl processo di incisione della macchina CNC mill l ’assemblaggio della parete

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B i b l i o g r a f i a

/ / L i s a I w a m o t o , ” D i g i t a l F a b r i c a t i o n s ” , P r i n c t o n e A r c h i t e c t u r e P r e s s , N e w - Yo r k , 2 0 0 9

/ / B . K o l a r e v i c , “ A r c h i t e c t u r e i n t h e D i g i t a l A g e : D e s i g n a n d M a n u f a c t u r i n g ” , S p o n P r e s s , N e w - Yo r k , 2 0 0 3

/ / w w w . u r b a n b a n o . c o m

/ / w w w . M O S . c o m

/ / w w w . I w a m o t o S c o t t . c o m

/ / w w w . o f f i c e a d . c o m

/ / w w w . a a s c h o o l . c o m

/ / w w w . S Y S T E M a r c h i t e c t s . c o m

/ / w w w . A E D S . c o m

Metà cellula di base l’assemblaggio della parete